14. Контракция

При гидратации цемента происходит образование кристаллогидратов. Вода из свободного состояния переходит в связанное (в состав кристаллической решетки, либо связывается адсорбционными силами).

При этом ее состояние превращается в квазитвердое - увеличивается плотность, снижается подвижность, объем. Также изменяется и исходный минерал вяжущего, несмотря на увеличение объема новообразований, общий объем системы становится меньше суммарного объема исходной системы вода - цемент. Это явление названо контракцией. Оставшийся объем будет представлен порами и обычно сопровождается развитием на поверхности системы твердеющего камня разряжения, что способствует всасыванию контактирующих с ним воды, нефти и газа. Величина контрактации зависит от исходного вяжущего, условий твердения и т.д. Для обычных портландцементов расчетная величина контракции принимается равной 7  9 мл, на 0,1 кг цемента. В результате контракции твердеющий цементный раствор всасывает воду из контактирующей с ним глинистой корки. Корка обезвоживается. При этом образуется сеть каналов, по которым может двигаться пластовый флюид. Снижение контракционного эффекта в основном производят введением наполнителей. Оценить величину контракции можно следующим образом:

Примем: В/Т = 0,5

ц = 300 кг/м³

в = 1000 кг/м³

Тогда тампонажный раствор по массе можно представить следующим образом:

вода цемент

1ч = 33 % 2ч = 67 %

по объему

вода цемент

1ч 0,6 0,6 40 %

Для полной гидратации требуется B/T=0,25 - 0,28. Таким образом, при условии 100 % гидратации связывается 50 % воды затворения:

свободная вода продукты гидратации

30 % 70 %.

Рассмотрим, что из себя представляют продукты гидратации. Поскольку гидратация это есть процесс присоединения молекул воды к поверхности цементной частицы без ее разрушения, то он сходен с мицеллообразованием. Установлено, что плотность адсорбированной воды в приповерхностном слое составляет 1400 - 2400 кг/м³. Примем =2000 кг/м³, тогда ее объем уменьшается в 2 раза и таким образом рассматриваемую систему можно представить следующим образом

свободная вода поры адсорбированная цементные

вода частицы

30% 15% 15% 40%

Высвобождающийся при этом объем может быть представлен порами, при отсутствии подсоса воды стяжение приведет к усадке.

15. Усадка

Физико-химические процессы схватывания и твердения портландцемента сопровождается после небольшого (обычно не фиксируемого расширения) усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объема твердеющего цемента. Несмотря на значительное количество работ по усадке физико-химическая природа этого явления недостаточна ясна.

Исследователи рассматривают три вида усадки: физическую (вследствие испарения избытка воды), химическую (вследствие связывания воды гидратными новообразованиями), термическую (вследствие постепенного охлаждения при уменьшении скорости тепловыделения). Усадку портландцемента обычно связывают с контракционными процессами и капиллярными силами. Величина усадки зависит от прочности кристаллизационных контактов, степени гидратации удельной поверхности цемента, времени твердения водотвердого отношения.

Механизм усадки проходит в следующем: в начальный период уменьшение объема происходит вследствие седиментационных и контракционных процессов. По мере развития структурообразования усадка пропорциональна потере свободной воды в результате испарения и связывания ее в гидратные новообразования. При упрочнении структуры образуются поры и капилляры. Увеличение капиллярного давления при снижении влажности среды, приводит к усадочным деформациям после стабилизации кристаллической структуры с прочными кристаллизационными контактами - удаление капиллярной воды не вызывает усадки. Величина усадочных деформаций цемента твердеющего на воздухе в течении 5 лет составила- около 3 мм на 1м. Усадка увеличивается пропорционально логарифму времени. В условиях гидротермального твердения усадка не обнаружена.